面向管養(yǎng)的軍山大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

王 超， 鐘繼衛(wèi)， 朱宏平

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;2. 中鐵大橋局集團橋科院有限公司， 湖北 武漢 430034)

橋梁在長期運營過程中，由于環(huán)境侵蝕、材料老化和疲勞效應(yīng)等災(zāi)害因素的作用將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷累積，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。傳統(tǒng)人工巡檢的管養(yǎng)方法費時費力，主觀性強，實效性差，影響交通，效率低。為全面、實時掌握運營階段大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，確保橋梁的安全運營，延長使用壽命，各國專家學(xué)者開展了大量橋梁健康監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用，先后在多座橋梁上安裝了橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。如美國Sunshine Skyway橋，香港青馬大橋，盧浦大橋，蘇通長江大橋，貴州壩凌河大橋等[1～4]。

以往的健康監(jiān)測系統(tǒng)是基于自動化傳感測試技術(shù)對結(jié)構(gòu)各種關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)控，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進行診斷，對橋梁的服役情況和承載能力進行智能評估。然而，由于監(jiān)測技術(shù)和費用的限制，要監(jiān)測與結(jié)構(gòu)退化及安全性相關(guān)的所有部位是不可能的。同時由于損傷具有局部性、監(jiān)測參數(shù)對局部損傷不敏感以及噪音的影響，結(jié)構(gòu)損傷往往很難識別。因此，如何以有限的測點盡量獲取與結(jié)構(gòu)退化及安全性真正相關(guān)的信息，以及對測得的海量數(shù)據(jù)進行分析，評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)，指導(dǎo)大橋管理養(yǎng)護，為管養(yǎng)部門所用成為大家所關(guān)注的研究熱點[5,6]。

基于面向管養(yǎng)的理念，針對軍山長江大橋的特點，研究了健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及構(gòu)成，建立了面向管養(yǎng)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)。利用監(jiān)測系統(tǒng)采集的各種數(shù)據(jù)，分析討論了監(jiān)測系統(tǒng)對橋梁管理養(yǎng)護的具體指導(dǎo)作用。

1 面向管養(yǎng)的系統(tǒng)構(gòu)建

武漢軍山長江大橋為半漂浮五跨連續(xù)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主橋跨徑為 48 m+204 m+460 m+204 m+48 m。大橋自建成以來，由于環(huán)境侵蝕、材料老化和疲勞效應(yīng)等因素的作用，結(jié)構(gòu)局部發(fā)生了病害。為了及時準(zhǔn)確掌握大橋的工作性能，為管養(yǎng)部門提供養(yǎng)護維修指導(dǎo)，保障大橋安全，建立了一套面向管養(yǎng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，區(qū)別于面向科研與面向設(shè)計的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的基本原理是基于管養(yǎng)部門的使用需求，從監(jiān)測項目、測點布設(shè)、數(shù)據(jù)分析等各個方面進行設(shè)計研究，使其能方便實用、有效快速的對結(jié)構(gòu)運營狀況進行評估，并提供相應(yīng)的管養(yǎng)指導(dǎo)。

1.1 面向管養(yǎng)的系統(tǒng)設(shè)計

1.1.1監(jiān)測項目需求

鋼箱梁：大橋于2001年12月建成通車近10年以來，鋼箱梁內(nèi)部存在局部銹蝕、積水、構(gòu)件開裂等病害。鋼橋面板開裂，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部剛度降低，一方面不利于橋面鋪裝層受力，另一方面會加劇疲勞荷載作用，進而使結(jié)構(gòu)裂縫加速擴展。因此需對疲勞裂縫發(fā)生及可能發(fā)生位置的應(yīng)力進行監(jiān)測。通過歷史病害的分析及結(jié)構(gòu)有限元分析，正交異性橋面板鋼箱梁在以下位置容易產(chǎn)生疲勞裂紋：橫隔板與U肋下翼緣相交處角焊縫；面板與U肋相交處角焊縫；縱隔板與面板相交處角焊縫；U肋拼接處。

橋塔：通過軍山大橋定期檢查發(fā)現(xiàn)，大橋橋塔表明出現(xiàn)了豎向短細(xì)裂紋，通過分析，該裂紋主要是由于溫度應(yīng)力引起的。橋塔是結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，為保障大橋安全運營，需監(jiān)測橋塔應(yīng)力及溫度場的變化。

路面溫度：由于路面瀝青混凝土的破壞，軍山大橋于2010年曾對大橋路面進行過大修，橋面鋪裝層損傷主要是由橋面超載引起的，但橋面溫度過高導(dǎo)致路面瀝青混凝土的軟化是引起路面車轍和甬包的主要原因之一。另外路面溫度過低將發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，將對行車安全形成隱患，因此有必要對路面溫度進行監(jiān)測，為管養(yǎng)部門提供指導(dǎo)。

索力：斜拉索是大跨度斜拉橋主要的受力構(gòu)件，一方面它是支撐和傳遞橋面荷載的主要途徑,索力的變化對結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)有重要影響，反之也是結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)或安全狀況的直接反應(yīng)。軍山大橋斜拉索在2007年還發(fā)生過被撞的交通事故，因此，應(yīng)對全橋各區(qū)段斜拉索索力實施全面監(jiān)測。

主梁線形：主梁線形是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征的最直觀體現(xiàn)之一，同時也是影響橋梁正常使用的重要指標(biāo)。需要對大橋主梁線形進行監(jiān)測。

動力特性：動力特性改變可視為橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化的標(biāo)志，可以利用其變化對結(jié)構(gòu)進行診斷。同時，結(jié)構(gòu)振動水平的大小直接影響大橋的正常使用性能，過高水平的振動影響行車舒適度，甚至行車安全。另外，軍山大橋斜拉索在惡劣環(huán)境下存在較嚴(yán)重的風(fēng)雨振現(xiàn)象，巡檢發(fā)現(xiàn)部分拉索減震器失效，有必要對斜拉索振動情況進行監(jiān)測。

支座：支座是橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)邊界，是決定結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的基本條件，其工作正常與否直接關(guān)系到大橋結(jié)構(gòu)安全，而支座位移情況是其是否正常工作的重要標(biāo)志。2010年定期檢測發(fā)現(xiàn)大橋部分支座發(fā)生了破壞，伸縮縫內(nèi)充滿砂石、泥土等垃圾，被堵塞、卡死，因此，有必要對支座位移進行監(jiān)測，為管養(yǎng)單位提供指導(dǎo)，及時進行維修養(yǎng)護。

1.1.2快速實時分析

健康監(jiān)測系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)管養(yǎng)方式，一個突出的特點就是監(jiān)測分析的實時性，監(jiān)測系統(tǒng)通過實時監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)橋梁病害，及時為橋梁的維修養(yǎng)護和管理決策提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)，確保橋梁安全運營。面向管養(yǎng)的健康監(jiān)測系統(tǒng)需要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速實時分析，對結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況、服役情況、可靠性、耐久性和承載能力進行快速評估。

1.1.3傳統(tǒng)管養(yǎng)信息的引入

在目前的技術(shù)水平下，基于傳感器的自動化監(jiān)測系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)以下?lián)p傷：鋼材的早期銹蝕、疲勞裂縫、混凝土劣化等，對于此類損傷，應(yīng)采用人工巡檢的方式進行識別。因此，必須引入傳統(tǒng)管養(yǎng)信息，將自動化傳感測試與人工巡檢相結(jié)合，建立起橋梁結(jié)構(gòu)運營健康監(jiān)測綜合評估系統(tǒng)，才能由表及里、從局部到整體來掌控大橋的運營安全狀態(tài)。

1.1.4軟件方便易用

健康監(jiān)測系統(tǒng)建成后主要交付給橋梁養(yǎng)護部門使用，管養(yǎng)人員習(xí)慣于傳統(tǒng)人工巡檢的方式對橋梁進行養(yǎng)護，可能對于健康監(jiān)測相關(guān)理論關(guān)注較少，因此應(yīng)考慮管養(yǎng)人員的操作習(xí)慣、管養(yǎng)使用需求，設(shè)計用戶界面友好、方便易用的軟件。

1.1.5系統(tǒng)的可維護性

大型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命通常百年，實際健康監(jiān)測系統(tǒng)部分傳感器可能比結(jié)構(gòu)的壽命要短，一般來說，傳感器安全穩(wěn)定使用壽命在10～15年，這就要求在系統(tǒng)設(shè)計時進行相應(yīng)的考慮，確保系統(tǒng)具有長期的穩(wěn)定性和可維護性。如系統(tǒng)的通風(fēng)散熱、防雷接地、防水防塵、保暖防寒設(shè)計、通信及電力冗余網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，標(biāo)識標(biāo)簽、接線的設(shè)計便于檢修，保護盒及傳感器的設(shè)計要考慮拆卸更換的便捷。

1.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)軍山大橋的結(jié)構(gòu)特點和地理環(huán)境，以及大橋管養(yǎng)方面的需求，擬定軍山大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)、預(yù)期功能、總體框架。整個系統(tǒng)由自動化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測子系統(tǒng)、電子化人工巡檢子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)、綜合預(yù)警與安全評估子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)共五大子系統(tǒng)構(gòu)成。

1.2.1動化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測子系統(tǒng)

自動化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測子系統(tǒng)完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、信號調(diào)理以及數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)軍山大橋受力特點、危險性分析結(jié)果、管養(yǎng)需求及本橋結(jié)構(gòu)分析、環(huán)境荷載特點，綜合分析確定系統(tǒng)由349個各類傳感器組成。包括2個風(fēng)速風(fēng)向儀、4個溫濕度儀、6個車速車軸儀、1個三向加速度計、132個溫度傳感器、130個應(yīng)變傳感器、16個撓度傳感器、4個傾斜儀、4個GPS、2個位移傳感器、48個單向加速度傳感器組成。全橋測點布置如圖1所示。

圖1 軍山大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)測點布置

1.2.2數(shù)據(jù)處理與管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的校驗、結(jié)構(gòu)化存儲、管理、可視化以及對監(jiān)測采樣的控制。考慮到系統(tǒng)包含動、靜態(tài)等多種不同格式及存儲方式的數(shù)據(jù)，且采集站分布于橋梁的不同位置，大橋設(shè)計了一個基于分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。對動、靜態(tài)數(shù)據(jù)采取不同的采集策略。對于動態(tài)數(shù)據(jù)采用連續(xù)采集，定期上傳分析數(shù)據(jù)，定期刪除原始數(shù)據(jù)的策略；在特大事故或惡劣氣象時，采取閾值觸發(fā)采集方式。對于靜態(tài)數(shù)據(jù)，采用完全采集的策略。

1.2.3電子化人工巡檢子系統(tǒng)

針對軍山橋的特點，采用“主動巡檢、預(yù)防為主”的巡檢養(yǎng)護理念來構(gòu)筑巡檢養(yǎng)護系統(tǒng)，建立起一套C/S結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基于數(shù)據(jù)庫核心和全電子化錄入的電子化人工巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)包括巡檢管理系統(tǒng)主模塊和智能巡檢終端，實現(xiàn)對人工巡檢信息的數(shù)字化錄入、查詢、評估與管理。

1.2.4綜合預(yù)警與安全評估子系統(tǒng)

系統(tǒng)將預(yù)警報警體系分為四類，可變荷載預(yù)警、結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)警、基準(zhǔn)狀態(tài)變化預(yù)警、趨勢變化預(yù)警?？勺兒奢d預(yù)警與結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)警通過在線預(yù)警方式實現(xiàn)，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息及簡單數(shù)據(jù)分析，對監(jiān)測點的環(huán)境參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)進行預(yù)警，信息通過web界面顯示或通過短信平臺發(fā)送給相關(guān)人員。基準(zhǔn)狀態(tài)變化預(yù)警和趨勢變化預(yù)警通過離線分析方式實現(xiàn)，其中結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)狀態(tài)變化包括靜力狀態(tài)和動力狀態(tài)，靜力狀態(tài)為剔除環(huán)境影響后的準(zhǔn)恒載狀態(tài)，動力狀態(tài)為結(jié)構(gòu)頻率振型等動力性能。預(yù)警信息通過人工輸入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，同時通過web界面顯示、email和短信通知給相關(guān)人員。

1.2.5監(jiān)測與評估軟件子系統(tǒng)

大橋軟件系統(tǒng)采用擴展B/S+C/S相結(jié)合的模式設(shè)計，給用戶提供了一套基于Internet和高速局域網(wǎng)的web系統(tǒng)，是用戶與健康監(jiān)測系統(tǒng)的交互平臺。主要包括在線監(jiān)測評估軟件、智能預(yù)警分析平臺、自動數(shù)據(jù)分析評估報告報表系統(tǒng)、三維橋梁仿真軟件四部分。

2 面向管養(yǎng)的應(yīng)用

2.1 車輛荷載

車輛超載是橋梁安全的隱患，是造成橋梁安全事故最主要的原因之一。系統(tǒng)采用動態(tài)稱重系統(tǒng)實現(xiàn)對交通流量、行車車速、軸重的實時監(jiān)測，為建立大橋交通荷載模型、進行結(jié)構(gòu)評估提供依據(jù)，同時可對超載超限車輛進行統(tǒng)計，輔助管養(yǎng)部門實現(xiàn)對超限車輛的管控。系統(tǒng)在金口側(cè)引橋上安裝了6車道(從上游到下游依次編號為1～6)動態(tài)稱重系統(tǒng)。圖2是2012年03月15日全天各車道車輛數(shù)及各時刻車輛數(shù)監(jiān)測結(jié)果。

圖2 車輛分布

圖3 車輛統(tǒng)計

全天以車道2、5(中間車道)通過車輛數(shù)最多，最內(nèi)側(cè)車道(3、4)通行車輛數(shù)較少。全天通行車輛最多時段為下午14∶00-15∶00，通行車輛最少時段為2∶00-3∶00，全天共有19463輛車通過軍山長江大橋。

圖3為各車道統(tǒng)計24小時各時刻超過30 t的車輛數(shù)及車道5超過30 t車輛各時刻分布。超30 t車大部分通行在外側(cè)車道(1、6)和中間車道(2、5)，表明重車通常行駛在中間及外側(cè)車道，因此應(yīng)關(guān)注中間及外側(cè)車道鋼箱梁的結(jié)構(gòu)受力及檢修養(yǎng)護。車道5全天各時刻通行超30 t車分布較平均，表明軍山橋上全天各時間段通行的重車較分散，不存在顯著的高峰時段。

2.2 支座位移

支座是決定結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的基本條件，通過對支座位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可以及時發(fā)現(xiàn)其是否存在異常情況，指導(dǎo)管養(yǎng)。圖4是軍山大橋金口側(cè)支座2012年07月20日全天位移實測曲線。為判斷支座性能狀況，對支座位移與鋼箱梁溫度進行回歸分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 支座全天位移曲線

圖5 金口側(cè)支座位移與溫度回歸曲線

圖中虛線是具有95%保證率的置信區(qū)間，支座位移與鋼箱梁溫度線性相關(guān)系數(shù)為0.99，相關(guān)性程度很高，鋼箱梁溫度每升高1℃，金口側(cè)支座位移增大5.2 mm。支座全天位移曲線通暢，未出現(xiàn)異常值，表明支座運行正常。在橋梁運營過程中，可以實時分析支座位移與溫度的線性擬合系數(shù)，與基準(zhǔn)值比較，及時發(fā)現(xiàn)支座是否運動正常，是否有阻滯、異物等，為管養(yǎng)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2.3 疲勞評估

橋梁因承受車輛加載和卸載而產(chǎn)生交變應(yīng)力，長期作用將使鋼構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷。傳統(tǒng)建立標(biāo)準(zhǔn)疲勞車的評估法現(xiàn)場交通調(diào)查工作量很大，并且由于各種計算假定、橋梁振動、車輛偏載的影響其結(jié)果與實際存在較大差別。健康監(jiān)測系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)疲勞評估提供了新的途徑，可以通過實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵部位的應(yīng)力時程，進行統(tǒng)計分析得到應(yīng)力譜，考慮到交通荷載的周期性，本文取2個星期的應(yīng)力時程進行統(tǒng)計得到標(biāo)準(zhǔn)日應(yīng)力譜，然后基于Miner線性累積損傷準(zhǔn)則對其進行疲勞評估[7～10]。

軍山大橋在中跨1/4截面布設(shè)了大量應(yīng)力測點，針對正交異性橋面板鋼箱梁的受力特點，這里主要對4種部位(見圖6)進行疲勞評估：(1)頂板與U肋縱向焊接連接(共6個測點)；(2)U肋橫向焊接連接(共8個測點)；(3)頂板與橫隔板橫向焊接連接部位(共4個測點)；(4)橫隔板與U肋下緣連接部位(共6個測點)。評估結(jié)果如表1所示。

圖6 測點現(xiàn)場安裝

測點損傷度(%)預(yù)期壽命(年)測點損傷度(%)預(yù)期壽命(年)測點損傷度(%)預(yù)期壽命(年)測點損傷度(%)預(yù)期壽命(年)1-10.0?1002-10.5?1002-75.6?1004-1276.636.21-20.0?1002-21.5?1002-827.9358.44-2234.342.71-30.4?1002-31.4?1003-10.0?1004-32214.04.51-40.2?1002-42.4?1003-20.0?1004-434.7288.21-50?1002-554.8182.53-30.0?1004-51912.85.21-60.2?1002-61.3?1003-40.0?1004-61594.26.3

表中損傷度表示結(jié)構(gòu)在根據(jù)當(dāng)前交通荷載統(tǒng)計的應(yīng)力譜作用下到達(dá)設(shè)計壽命期時的累積疲勞損傷程度。結(jié)構(gòu)在當(dāng)期交通從上表可以看出：在當(dāng)前交通狀況下，該橋在服役結(jié)束時，第一類測點損傷度都遠(yuǎn)小于1，不會發(fā)生疲勞破壞；第二類測點中測點2-5和2-8累積損傷度較大，分別為54.8%、 27.9%，但預(yù)期使用壽命都超過100年，其他測點損傷度都較小。目前U肋橫向焊接不會發(fā)生疲勞破壞，僅需對個別部位加強長期監(jiān)測。第三類所有測點的累積損傷度為零，不會出現(xiàn)疲勞破壞；第四類除測點4-4損傷度小于1，其他測點損傷度都大于1，因此，橫隔板與U肋下緣連接部位可能發(fā)生疲勞破壞，該部位是鋼箱梁的疲勞薄弱部位，應(yīng)重點監(jiān)測，加強維護。

2.4 環(huán)境濕度

環(huán)境濕度是影響結(jié)構(gòu)的腐蝕、老化的重要因素，通過對橋位處環(huán)境濕度的監(jiān)測分析可以為橋梁維修養(yǎng)護提供實時有效的指導(dǎo)。圖7是經(jīng)過去奇異值、去噪等預(yù)處理后的軍山大橋2012年12月1日～20日鋼箱梁內(nèi)環(huán)境濕度監(jiān)測時程曲線。

圖7 環(huán)境濕度監(jiān)測曲線

由圖可知鋼箱梁內(nèi)濕度變化趨勢明顯，濕度范圍為30%～72%。12月2日、12月4日～20日濕度較大，部分時段濕度超過預(yù)警值(軍山大橋設(shè)定為60%)，對鋼結(jié)構(gòu)防腐較為不利。通過對濕度的實時監(jiān)測，可以及時提醒管養(yǎng)部門采取合適的管養(yǎng)措施，如開啟抽濕裝置。

2.5 路面溫度

圖8 路面溫度監(jiān)測曲線

橋面溫度過高會導(dǎo)致路面瀝青混凝土的軟化，容易引起路面車轍和壅包，破壞路面結(jié)構(gòu)。而橋面溫度過低可能發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，影響行車安全，可能間接對橋梁造成損傷。軍山橋路面年最高溫度和最低溫度分別達(dá)到54℃和-2℃。通過對橋面溫度的監(jiān)測分析，可以為管養(yǎng)部門提供指導(dǎo)。圖8是經(jīng)過預(yù)處理后大橋2012年12月30日路面溫度實時監(jiān)測曲線。

由圖可以看出，路面溫度晚上降低，白天升高，在早上8點左右達(dá)到最低，下午3點左右達(dá)到最高，因此，在早上7～9點路面溫度較低，最低溫度為零下1.1℃，橋面有結(jié)冰的可能，將對行車安全構(gòu)成隱患，應(yīng)提醒管養(yǎng)部門加強監(jiān)測，隨時做好應(yīng)對措施。

3 結(jié) 語

橋梁管養(yǎng)部門需要結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息以供維修決策，傳統(tǒng)的橋梁管養(yǎng)方法在很大程度上依賴于管理者和技術(shù)人員的經(jīng)驗，缺乏科學(xué)系統(tǒng)的方法，健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立為橋梁管養(yǎng)提供了新的契機，本文基于面向管養(yǎng)的理念，研究了軍山大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方法，并對采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用于管養(yǎng)進行了分析與探討。當(dāng)前，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與分析理念越來越側(cè)重于為橋梁的管養(yǎng)提供支撐，未來需要進一步加強這方面的研究研究。

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